Study of the dynamics of respiratory events in pathogen-laden exhalations and solid particle inhalations

Aquesta tesi doctoral investiga la dinàmica dels esdeveniments expiratoris violents (tos i esternuts) i la inhalació de partícules en el sistema respiratori superior mitjançant enfocaments experimentals i numèrics. La pandèmia del COVID-19 va posar de manifest les limitacions dels estudis previs, incloent-hi l’alta variabilitat entre subjectes i la simplificació geomètrica en els models computacionals. Per superar aquestes mancances, es va desenvolupar un dispositiu capaç de reproduir esdeveniments expiratoris intensos dins de rangs fisiològics, incorporant una geometria realista impresa en 3D del tracte respiratori superior, incloent la cavitat nasal. Els resultats experimentals indiquen que la presència de la cavitat nasal modifica la dispersió de l’aerosol, reduint la distància horitzontal recorreguda mentre augmenta la dispersió vertical. En absència de la cavitat nasal es generen vòrtexs secundaris que podrien incrementar el risc de transmissió. Es van realitzar estudis numèrics validats amb els resultats experimentals. També es va avaluar l’efecte de la temperatura fisiològica sota condicions ambientals controlades, demostrant que majors diferències de temperatura entre l’aire exhalat i l’ambient augmenten la flotabilitat, el desplaçament horitzontal i la concentració de microgotetes en suspensió on van donar lloc a una expressió matemàtica capaç de predir amb precisió l’abast de l’aerosol. Addicionalment, es va realitzar l'estudi numéric de la inhalació de partícules dins de la cavitat nasal utilitzant un model innovador d'interacció de partícules. Les partícules petites (< 10 μm) i allargades tendeixen a superar el filtratge nasal i arribar al sistema respiratori inferior, mentre que les partícules més grans (> 10 μm) es dipositen principalment a la cavitat nasal. Els resultats d'aquesta investigació proporcionen informació sobre el transport d’aerosols i la deposició de partícules, oferint una base per optimitzar sistemes de ventilació i filtratge d’aire, així com estratègies de mitigació de transmissió de patògens en entorns interiors crítics.